4.7Оголовок колонны.

Для передачи усилия на ветви колонны применяют оголовки в виде балочных клеток как, например, на рисунке 4.21. Расчет балки проводится по расчетной схеме, приведенной на рисунке 4.22 в виде двухопорной балки. Вычислив реакции в опорах R_A=394,5 кН и R_B=705,5 кН и момент над опорой А (по рисунку 4.22) М_А=255,9 кН^.м, определим необходимые размеры поперечного сечения балочной клетки.

Требуемый момент сопротивления Основа балочной клетки спроектирована из двух швеллеров, как показано на рисунке 4.21.

Рисунок 4.21– Оголовок колонны

Подбираем швеллер с W>800 см³, такому условию удовлетворяет швеллер № 40. Для уменьшения металлоемкости, можно выбрать швеллер меньшего номера и усилить клетку в районе максимального момента. Выберем швеллер № 30 с W=387 см³. Применим необходимое усиление сечения приваркой накладок, как показано на рисунке 4.23. Толщину накладок определим из условия прочности. Оцениваем недостающий момент сопротивления, который следует обеспечить введением накладок:

Рисунок 4.22– Эпюры изгибающих моментов и поперечных сил

балочной клетки

Рисунок 4.23– Накладки

Принимаем толщину S_н = 4 мм. Длину накладки определим по эпюре изгибающих моментов. Определим по эпюре, приведенной на рисунке 4.22 допускаемый момент для сечения из двух швеллеров № 30, M=[]2W=160^.10^6.387^. 10^-6=123,84 кН^.м, который находится на расстоянии 41,28 см от опоры, тогда длина накладки 82,56 см.

Сварной узел соединения швеллера №30 балочной клетки с уголком №16/10/1,0 стойки колонны, состоящий из четырех сварных швов, приведен на рисунке 4.24. Согласно принятым допущениям [7], поперечную силу воспринимают только швы № 1. Создаваемые поперечной силой напряжения определим по формуле

Величина поперечной силы Q определяется по эпюре, приведенной на рисунке 4.22, Q=202,75 кН, отсюда можно определить минимальный катет шва

.

Принимаем k=8 мм по всему периметру. На сварное соединение действует момент М=127,95 кН^.м, создаваемые им касательные напряжения

Рисунок 4.24– Сварные швы соединения левой ветви

,

где - наибольшее удаление сварного шва от центра тяжести сварного соединения; J_p=J_x+J_y – полярный момент инерции сварного соединения,

Сварные швы не обеспечивают прочности соединения, следовательно, требуется их усиление. Увеличение катета шва до 12 мм снизит напряжения до величины =159,6 МПа>[‘], т.е. не обеспечит прочности.

Дальнейшее увеличение катета шва нецелесообразно по технологическим соображениям, т.к. толщина уголка 12 мм. Дальнейшее усиление сварного соединения возможно установкой дополнительных косынок, увеличивающих площадь сварных швов.

Расчет размеров косынок проводится методом разложения на составляющие. Основное сварное соединение способно противостоять внешнему моменту

Рисунок 4.25– Усиление сварного соединения

Остаточному моменту М_ост=127,45-76,94=50,5 кН^.м должны противостоять сварные швы усиления. Горизонтальный шов № 3 (по рисунку 4.25) можно выполнить угловым с катетом не более k=12 мм, тогда остаточный момент создает в шве № 1 реактивную силу . Подставив известные значения, получим R=336,68 кН. Длину двух швов, способных противостоять этой силе, определим по формуле . Подставив известные значения, получим l=0,208 м. Длину шва № 4 аналитически определить трудно (требуется решить кубическое уравнение), поэтому произведем приблизительную оценку требуемой длины.

Рисунок 4.26 – Расчетная схема сварного соединения

Напряжения в сварном соединении превышают допускаемые в 1,66 раза, следовательно, его момент сопротивления также следует увеличить в 1,66 раза. Момент сопротивления пропорционален квадрату высоты сварного соединения, следовательно, высота сварного соединения должна быть в = 1,28 раз больше имеющейся, т.е. высота сварного соединения должна быть равна 38,64 мм.

Высота косынки не может быть меньше h_к=38,64-30=8,64 см. Выберем в качестве вспомогательного элемента неравнобокий уголок №20/12,5/1,2, как показано на рисунке 4.25, и проверим прочность полученного соединения, схема которого приведена на рисунке 4.26. Определим его геометрические характеристики, зная y_ц.т. =25,19 см, z₁=10,19 см, z₂=25,19 см, z₃=4,81 см, z₄=11,06 см:

Наибольшие напряжения:

Напряжения в точке А (по рисунку 4.26) складываются из двух компонент: напряжений от изгибающего момента и напряжений от поперечной силы:

Сварное соединение швеллера № 30 балочной клетки с двутавром №50 стойки колонны приведено на рисунке 4.27. Соединение рассчитывается только на воздействие поперечной силы, т.к. изгибающий момент в рассчитываемом месте балки очень мал (см. рисунок 4.22). Поперечную силу воспринимают только те швы соединения, продольная ось которых направлена вдоль действия поперечной силы, т.е. швы № 1 по рисунку 4.27. Приняв катет швов k=12мм, как и в ранее рассмотренном соединении, вычислим напряжения в этих швах:

Прочность сварного узла обеспечена без дополнительного усиления.

Для передачи нагрузки от сосредоточенной силы Р₁ применены поперечины из того же швеллера. Их прочность проверяется по нормальным напряжениям. Определим изгибающий момент этой силы при плече 0,25 м: M=0,25^.300=75 кН^.м, тогда напряжения =96,9 МПа<[ ‘], т.е. считаем их прочность достаточной.

Поперечины соединяются с продольными балками угловыми швами с k=12 мм, напряжения в швах № 1 (по рисунку 4.21)

Рисунок 4.27– Сварное соединение правой ветви стойки и балочной клетки

.

Для передачи сосредоточенных усилий и закрепления сопрягаемого с колонной оборудования, оголовки покрывают плитами (поз. 1, 2 по рисунку 4.21). Толщина плиты выбирается конструктивно в пределах 12 - 20 мм. Плиты рассчитываются как балки, закрепленные с двух сторон. Для опирания балок, показанного на рисунке 4.28, определяем

Для плиты, рассчитанной под силу Р_1, толщина S₁=0,0118 м, принимаем S₁=12 мм. Для плиты под силу Р₂, толщина S₂=0,0168 м, принимаем S₂=20 мм. Опорное ребро (поз. 5 по рисунку 4.21) служит для выравнивания передачи усилия от Р₂. Его толщину определяем из условия прочности:

Рисунок 4.28 – Расчетная схема плиты

Принимаем S=20 мм. Сварные швы № 2 выполняем угловыми с катетом 12 мм. Рассчитывать их не следует, т.к. прочность сварного соединения уже обеспечена швами № 1.

Оголовок правой ветви имеет подобную конструкцию, и расчет его проводится аналогично приведенному выше.